巨厚松散層下開采地表損害機理研究

陳俊杰，陶宛東，黃成飛

(河南理工大學，河南焦作 454003)

0 引言

我國煤田，特別是華中、華東地區(qū)的煤田，煤系地層上面多被厚及巨厚松散層覆蓋，在這些地區(qū)的建筑物、鐵路、水體下(簡稱“三下”)壓占著大量的煤炭資源［1-2］。自20世紀80年代起，我國許多礦井在厚松散層下開采時發(fā)現(xiàn)了一些特殊的現(xiàn)象，如工作面開采后，地表破壞劇烈，下沉系數(shù)偏大，保留煤柱上方垂直變形異常，水平移動范圍大于下沉范圍等［3-6］。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生是常規(guī)的開采沉陷理論所無法解釋的［7］。厚松散層下開采造成的地表移動變形的特殊性，需要重新認識厚松散厚度在開采沉陷所起作用的機理。國內(nèi)外對一般的地質(zhì)條件開采沉陷機理方面已有很多研究，但是對于厚松散層開采條件下開采沉陷機理與地表移動變形之間的關系，需要進一步探討。

1 研究區(qū)概況

新鄭煤電有限責任公司趙家寨煤礦開采設計生產(chǎn)規(guī)模為300×104t/a。11206綜采工作面為趙家寨煤礦首采工作面，走向長壁布置，設計走向長2165m，傾斜長170m。開采煤層為二1煤層，煤層厚度變化較大，在1.8～17.07m，平均煤厚6.54m，煤層傾角為6.5°。工作面開采深度為313m，其中松散層厚度為120m，約占開采深度的40%，為巨厚濕陷性松散層。采煤方法采用走向長壁綜合機械化放頂煤回采，全部垮落法管理頂板。

2 地表非連續(xù)變形特征

2.1 倒臺階裂縫及塌陷坑

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，當11206首采工作面開采6個月后，在工作面的開切眼附近，出現(xiàn)多個塌陷坑及倒臺階狀裂縫，倒臺階落差約在0.5～0.7m。塌陷坑為圓形或橢圓形，深度為3～7m不等(圖1、圖2)。

圖1 倒臺階裂縫Fig.1 Reverse step cracks

圖2 塌陷坑Fig.2 Collapse pit

2.2 臺階裂縫

在工作面推進過程中，地表裂縫總是在采空區(qū)邊界的外側(cè)上方產(chǎn)生，裂縫寬度最大達到0.6m，裂縫深度在10～15m不等。裂縫臺階落差達到了0.4～0.6m。裂縫發(fā)育平行于工作面推進方向，其延伸方向與地表變形主拉伸方向正交(圖3)。

圖3 臺階裂縫Fig.3 Step cracks

2.3 超前裂縫

由井上下對照圖可知，裂縫區(qū)域地表非連續(xù)移動變形明顯，工作面前方出現(xiàn)了明顯周期性的臺階狀張口裂縫群，超前裂縫距離工作面切眼為44～87m不等，裂縫之間的距離為9～12m不等。同時，在工作面推進的后方，裂縫出現(xiàn)了逐漸閉合趨勢，裂縫閉合位置距工作面推進切眼距離為80～100m(圖4)。

圖4 超前臺階裂縫群Fig.4 Advancing step crack groups

2.4 隱蔽的塌陷坑

現(xiàn)場大量的觀測表明，11206工作面開采后，在地表形成的裂縫，在雨水侵蝕、沖刷的作用下，部分區(qū)域在工作面開采的地表上方，形成隱蔽性的空穴，表面上似乎平整的地表，實際存在著突發(fā)性、隨機性、不連續(xù)性的塌陷坑［8］。

3 數(shù)值模擬應力分析

3.1 模擬方案

為了研究巨厚濕陷性松散層下開采地表出現(xiàn)非連續(xù)變形的機理，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，分析松散層厚度對地表豎向應力的影響。在模型設計時，建立了5個數(shù)值模擬模型，松散層厚度分別取50m、100m、150m、200m和250m。為使各方案模擬結(jié)果具有可比性，5個模型的長×高均為3300m×800m，左右邊界均各留900m煤柱［9］，采深320m，采寬170m，采厚6.5m。

3.2 巖體物理力學參數(shù)

巖體力學參數(shù)對數(shù)值模擬計算的結(jié)果影響很大，巖體力學參數(shù)是以流變理論為基礎，通過物理實驗確定的。數(shù)值模型模擬巖體物理力學參數(shù)以趙家寨煤礦綜合柱狀圖為依據(jù)，通過適當?shù)暮喕?，從上至下依次?表土層、細砂巖與泥巖互層、泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、老頂粉砂巖、直接頂砂質(zhì)泥巖、煤層、直接底板細砂巖(表1)。

表1 巖體物理力學參數(shù)表Table 1 Physical and mechanic parameters of strata

3.3 覆巖應力模擬結(jié)果及分析

通過對上述各方案進行模擬，得到了不同松散層厚度時巖層豎向應力云圖和應力集中曲線圖(圖5～圖10)。

從圖5～圖10中可以看出:

(1)在巨厚松散層開采條件下，隨著開采工作面不斷推進，上覆巖層出現(xiàn)了應力集中區(qū)域，且出現(xiàn)在采空區(qū)的兩端，形成開切眼處的應力集中值要比工作面停采處的應力集中值大，造成下沉拐點附近為覆巖拉、應力快速變化區(qū)域。其拉伸變形達到或超過土體的極限抗拉強度時，反映地表就會產(chǎn)生裂縫。

圖5 原巖豎向應力云圖Fig.5 The vertical stress cloud map of rock strata

圖6 松散厚度為50m巖層豎向應力云圖Fig.6 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 50m

圖7 松散厚度為100m巖層豎向應力云圖Fig.7 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 100m

圖8 松散厚度為150m巖層豎向應力云圖Fig.8 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 150m

圖9 松散厚度為200m巖層豎向應力云圖Fig.9 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 200m

圖10 松散厚度為250m巖層豎向應力云圖Fig.10 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 250m

(2)在工作面推進過程中，采空區(qū)會出現(xiàn)應力釋放區(qū)域。根據(jù)圖5～圖9的應力云圖的比較來看，在松散層厚度50～200m變化過程中，應力釋放區(qū)域逐步增大，具備了基巖頂面移動破壞強度大的條件。從圖10的應力云圖可以看出，當松散層厚度由200～250 m過程中，應力釋放區(qū)域又出現(xiàn)逐漸減小的趨勢，其主要原因是，隨著松散層厚度的不斷增加，基巖在開采深度中所占比例逐漸減小，煤層開采后，上覆巖層不能形成拱形的支承結(jié)構(gòu)，導致應力釋放區(qū)域減小，造成地表移動盆地更加平緩，下沉系數(shù)增大的趨勢較為緩慢。

(3)隨著松散層厚度從50～200m逐漸增加，應力集中系數(shù)也逐漸增加，最大值達到了2.08。在厚煤層綜采放開采、全部垮落法管理頂板條件下，開采強度相對較大，造成地表下沉破壞劇烈，地表出現(xiàn)臺階狀裂縫。當松散層厚度從200m增加到250m時，應力集中系數(shù)逐漸減小。

4 地表裂縫形成機理

在厚濕陷性黃土層下，隨著11206首采工作面不斷推進，地下采空區(qū)的不斷擴大，當基巖面上的抗拉強度超過其自身的強度時，垂直裂隙溝通擴張，在裂縫中釋放水平移動與水平變形，造成基巖面上產(chǎn)生裂縫。當開采影響將傳遞到地表，由于地表點各處之間的移動量不均衡，當其拉伸變形達到或超過土體的極限抗拉強度時，地表就可能產(chǎn)生裂縫。尤其是厚黃土層本身抗拉強度非常弱，表現(xiàn)在地表出現(xiàn)超前臺階狀裂縫及塌陷坑。

同時，隨著工作面的推進，在工作面前方地表形成的動態(tài)拉伸區(qū)范圍內(nèi)，不斷地形成裂縫，而后的區(qū)域即采空區(qū)上方地表轉(zhuǎn)化為壓縮區(qū)，裂縫在擠壓力的作用下有所閉合。隨著工作面不斷推進，裂縫逐漸加深、加寬，地表集中變形加強，破壞程度逐漸加劇，達到地表移動變形的活躍期，裂縫寬度逐漸穩(wěn)定到一定范圍。同時，地表裂縫形成后，裂縫將吸收周圍的地表變形，使得裂縫兩側(cè)的土體變形降低，所以通常兩條裂縫之間相隔一定距離。

隨著開采的繼續(xù)進行，開采面積不斷擴大，當采動裂縫的位置位于開采影響范圍之外時，裂縫處的移動變形逐漸穩(wěn)定，移動變形量逐漸減小，地表裂縫隨著地表移動變形的逐漸穩(wěn)定而產(chǎn)生一定閉合［10］，地表裂縫沿推進方向經(jīng)歷了拉伸—壓縮的動態(tài)過程，最終達到地表移動變形的衰退期。在巨厚松散層開采條件下，衰退期比活躍期持續(xù)時間更長，現(xiàn)場觀測表明，活躍期為1個月左右，而衰退期達6～8個月左右。

5 結(jié)論

(1)描述了巨厚松散層綜放開采條件下周期性裂縫、臺階、塌陷坑等地表非連續(xù)移動變形破壞特征。

(2)建立了數(shù)值模擬模型，得到了松散層厚度分別為50～250m時的覆巖豎向應力云圖，分析了巨厚松散層開采條件下覆巖應力集中、釋放區(qū)域以及應力集中系數(shù)的變化與地表變形之間的關系。

(3)分析了巨厚松散層開采條件下地表出現(xiàn)非連續(xù)變形的破壞機理，指出了應力變化與巨厚松散層性質(zhì)是造成地表出現(xiàn)非連續(xù)變形的主要原因。

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